Facteurs impliqués dans le développement somitique

La formation des somites à partir du mésoderme paraxial se déroule selon un rythme séquentiel et cyclique le long de l’axe rostro-caudal. Les membres de la famille Notch sont exprimés progressivement le long de cet axe dans le mésoderme présomitique, et synchronisent la formation de chaque paire de somites [26]. Les voies Wnt, FGF et de l’acide rétinoïque sont également impliquées dans ce phénomène. La distribution de ces facteurs suit un gradient de concentration, l’activité de Wnt3a et de FGF8 étant élevée dans la région caudale et non segmentée du mésoderme paraxial alors que celle de l’acide rétinoïque domine au niveau des somites de la région céphalique [27].

Dans la partie ventro-médiale des somites, des cellules subissent également une TEM, ce qui leur permet de se détacher et de former le sclérotome mésenchymateux.

L’expression de Shh et de Noggin par la notochorde est nécessaire à l’induction et la maintenance du sclérotome [28]. Parallèlement, la partie dorsale du TN et l’ectoderme de surface sécrètent plusieurs facteurs de la famille Wnt (Wnt1-3a et Wnt4-6, respectivement) requis pour l’induction du dermomyotome et l’adoption d’un destin myogénique par les cellules. Enfin, une sécrétion de BMP4 est assurée par la plaque mésodermique latérale alors que la partie dorsale du TN sécrète la Noggin, un inhibiteur de BMP4. L’inhibition de la signalisation BMP par Noggin aboutit à la mise en place d’un gradient de concentration nécessaire à la spécification des cellules du dermomyotome en cellules du derme [29, 30].

23 1.5.3. Facteurs impliqués dans la migration des CCN

Pendant ce temps, les CCN pré-migrantes subissent une TEM, ceci afin de pouvoir se détacher de l’ectoderme et migrer. A nouveau, l’activité de BMP4 est impliquée dans ce processus. Les interactions BMP4/Noggin dans la partie dorsale du tube neural génèrent une activité variable de BMP4 le long de l’axe rostro-caudal, l’expression de Noggin par les somites étant décroissante le long de cet axe [29, 31].

Indirectement, les somites en développement contrôlent la chronologie de la délamination des CCN en modulant l’expression de Noggin. Lorsque BMP4 est pleinement actif, les cellules peuvent se détacher. Ce processus explique ainsi la migration graduelle et non synchrone des CCN le long de l’axe rostro-caudal [32].

La TEM constitue surtout une modification phénotypique majeure des cellules passant de l’état épithélial à l’état mésenchymateux. BMP4 module alors l’expression de divers facteurs de transcription qui, à leur tour, influencent le cycle cellulaire et la morphologie des cellules. Ainsi, chez le poulet, les CCN thoraco-abdominales se délaminent uniquement lorsqu’elles sont en phase S du cycle cellulaire et qu’une migration nucléaire interkinétique a eu lieu [33] (Fig. I-8). Qui plus est, les divisions cellulaires s’effectuent parallèlement à la surface, dans la partie dorsale du TN, alors qu’elles sont perpendiculaires à la surface dans les autres régions du TN [34]. En fait, BMP4 stimule l’expression de Wnt1, qui par la voie canonique, induit la transcription de la cycline D1, nécessaire à la transition G1/S du cycle cellulaire [35].

Figure I-8. Délamination des CCN en fonction de la phase du cycle cellulaire et de la

migration nucléaire interkinétique. Durant la TEM,

le noyau et le corps cellulaire sont délocalisés vers le pôle basal de l’épithélium lorsque la cellule entre en phase S du cycle.

Les cellules se détachent ensuite du tube neural et entame leur migration [33].

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Un autre élément phare de la TEM réside dans la modification de l’expression d’une catégorie de glycoprotéines que sont les cadhérines. Rappelons que celles-ci assurent l’adhésion cellulaire par la formation de jonctions adhérentes et de desmosomes au sein du neuroépithélium. La TEM implique donc soit la rupture de ces jonctions, soit la modification de leur expression (Fig. I-9). Les CCN commencent à exprimer les cadhérines 7 et 11 alors que l’expression de la cadhérine-6B est inhibée par le facteur de transcription Snail-2 [36-38]. BMP4 permet également le clivage de la N-cadhérine et la formation d’un fragment soluble qui, une fois transloqué dans le noyau, stimule la transcription de la cycline D1 et donc la transition G1/S du cycle cellulaire [39]. Il a également été démontré que les facteurs de transcription Slug et Snail réprimaient l’expression de la E-cadhérine, étape nécessaire à la TEM [40].

Figure I-9. Mécanismes nécessaires à la transition d’une cellule épithéliale (à gauche) vers une cellule mésenchymateuse (à droite). Le processus implique la perte des caractères épithéliaux, tels que la dissolution des jonctions serrées, des jonctions adhérentes et des desmosomes, et la perte de la polarité apico-basale, pour adopter un phénotype mésenchymateux, qui inclut notamment une réorganisation de l’actine. A, actine ; JA, jonction adhérente ; CK, cytokératine ; D, desmosome ; MEC, matrice extracellulaire ; G, appareil de Golgi ; I, intégrine ; MT, microtubule ; N, noyau ; V, vinculine. Figure adaptée de Erreur ! Référence de lien hypertexte non valide.

Une fois la capacité de migration acquise, les CCN émergent de la partie dorsale du tube neural et migrent au travers de l’embryon en suivant des voies relativement stéréotypées qui, toutefois, leurs confèrent un microenvironnement temporellement et localement variable. Le choix d’une voie de migration est dépendant d’une combinaison de stimulations par différents facteurs diffusibles et d’interactions des CCN avec la

25 matrice extracellulaire (MEC). Par exemple, on observe de nombreux changements de l’expression et de l’organisation des protéines et protéoglycans de la MEC au cours du cheminement conduisant les CCN vers leur localisation tissulaire. Ces facteurs peuvent être plus ou moins permissifs à l’adhérence et à la migration des CCN. La fibronectine, les laminines, les protéoglycans-M/versicans, les collagènes I, III, IV et VI et la thrombospondine-1engagent et orientent les CCN dans le processus migratoire. Par contre, les tenascines, le perlecan, les fibulines, les collagènes II, V, VIII, IX, XI, XII, XIV et XVII, l’ostéopontine et les hyaluronans semblent induire une faible adhésion mais ne pas réellement affecter le comportement migratoire des CCN. Enfin, l’aggrecan semble capable d’inhiber la migration des CCN, tout du moins in vitro [41]. Des variations dans le type et dans le niveau d’expression des composants de la MEC peuvent donc influencer le choix des voies de migration [42]. Et pour répondre à la variabilité des différents stimuli environnementaux, les CCN s’adaptent par l’expression de certaines protéines de matrices, telles que la fibronectine et la ténascine-C, mais également par l’expression de leurs récepteurs, les intégrines [43, 44]. Des régulations post-transcriptionnelles différentielles des intégrines ont été constatées entre les CCN céphaliques et thoraco-abdominales, ce qui leur confère des propriétés motiles variables, pouvant potentiellement orienter leur choix de voies de migration [45].

Pour ce qui est des CCN céphaliques, les signaux de « guidance » orientent les courants migratoires des CCN de manière plus complexe encore, notamment en faisant intervenir les gènes de la famille homeobox (Hox), qui contribuent à l’établissement de l’axe rostro-caudal [46]. Leur expression est exclue du domaine antérieur de la crête céphalique qui donnera naissance au squelette facial alors que les cellules du domaine postérieur au rhombomère 3 (r3) expriment ces gènes Hox, ce qui permettra la formation de la partie postérieure de l’os hyoïde [47] (Fig. I-10B). Les gènes de la famille distal-less homeobox (Dlx) confèrent aux CCN leur polarité au sein des arcs branchiaux, le long de l’axe dorso-ventral [46]. Le FGF8 participe également à la mise en place des polarités rostro-caudale et dorso-ventrale en plus d’assurer la symétrie gauche-droite du squelette crânio-facial [48]. Quant au facteur Shh, il contribue à la

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formation de la polarité squelettique selon l’axe medio-latéral [49]. Des signaux répulsifs assurent également la migration correcte des CCN : le récepteur aux neurégulines, l’Erythroblastic leukemia viral oncogène homologue 4 (ErbB4), est exprimé par les r3 et r5 et maintient la zone adjacente au r3 « libre » de CCN [50] ; les interactions entre les Ephrins et leurs récepteurs Eph ou encore entre les Sémaphorines de classe 3 (Sema3) et leur récepteurs neuropiline (Nrp) contribuent à la ségrégation des arcs pharyngés [51-53] (Fig. I-10A). Enfin, l’endothéline-1 (ET-1) sécrétée par l’ectoderme de surface ainsi que par le mésoderme et l’endoderme des arcs pharyngés participe à la formation des processus mandibulaire et maxillaire via l’activation des gènes Dlx [54, 55].

Figure I-10. Migration segmentaire des CCN céphaliques chez le poulet. (A) Les flèches jaunes représentent les voies de migration des CCN diencéphaliques (di-), mésencéphaliques (mes-) antérieures et postérieures, et rhombencéphaliques vers le processus fronto-nasal (PFN) et les arcs pharyngés (AP) 1 à 4. Certains facteurs impliqués dans la mise en place et la maintenance des voies de migration segmentées sont mentionnés, tels que : ErbB4, Sema 3, Neuropiline (Nrp), Ephrin et leur récepteurs Eph [46]. (B) La partie antérieure de la CN céphalique (Hox-négative) est à l’origine du squelette facial alors que la CN Hox-positive donne naissance à la partie postérieure de l’os hyoïde [10].

De nombreux facteurs trophiques sont également impliqués dans la différenciation des cellules mésodermiques et la formation des différents tissus qui en dérivent. Leur description complète sortant de l’objectif de ce présent mémoire, ils ne seront pas discutés dans cet exposé.

27 1.5.4. Multipotence des CCN

La différenciation des CCN est intimement liée à leur migration dans la mesure où les deux processus sont relativement concomitants. Il est d’ailleurs difficile de considérer les rôles des différents facteurs impliqués dans ces processus comme strictement « migratoires » ou de « différenciation ». Dès lors, se pose la question de l’origine de la diversification des CCN. Existe-t-il un ou plusieurs progéniteurs communs ? Les CCN sont-elles « programmées » vers leur destin cellulaire lors de leur apparition ou celui-ci est-il acquis au cours de leur migration ?

Une hypothèse longtemps privilégiée est celle de l’existence de cellules souches de la crête neurale (CSCN) au niveau du neuroépithélium présentant des capacités de différenciation progressivement restreintes au cours de la migration. Selon cette hypothèse en effet, les signaux perçus par les cellules durant leur migration détermineraient leur devenir (Fig. I-11A). Cette hypothèse est étayée tant par des études in vitro, démontrant la diversité des lignages cellulaires obtenus par cultures clonales de CCN, que par des études in vivo faisant appel au marquage ciblé d’un seul progéniteur [56, 57]. Une autre hypothèse en vigueur suppose que le destin des CCN est prédéterminé avant même le début de la migration (Fig. I-11B). Comme expliqué précédemment (cf. Part. I.1.1.4.), à ce stade, l’environnement des CCN le long de l’axe rostro-caudal impose déjà une ségrégation de ces dernières, entrainant une migration asynchrone des CCN. On peut d’ailleurs constater les différences de potentialité des CCN émergeant précocement du TN par rapport à celles qui s’en séparent plus tardivement [58, 59]. Cela entraîne immanquablement l’emprunt de voies de migration distinctes et donc le cheminement des CCN au travers d’environnements différents [60].

On peut supposer que si des progéniteurs communs existent avant la migration, alors ceux-ci sont regroupés sur un même niveau axial. Toutefois, des observations font état de l’existence de deux cellules issues d’un même niveau axial, empruntant la même voie de migration (ou cultivées dans les même conditions), mais qui aboutissent néanmoins à la formation de deux cellules différenciées distinctes [61]. Dans ces

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conditions, les paramètres spatio-temporels relatifs à la maturation de chaque cellule seraient donc cruciaux pour leur devenir. D’autre part, on ne peut nier le rôle de certains facteurs de croissance et acteurs de voies de signalisation bien spécifiques qui ont été identifiés comme impliqués dans l’adoption d’un destin cellulaire particulier par les CCN.

Figure I-11. Deux hypothèses se confrontent pour expliquer l’origine de la diversité des cellules différenciées à partir des CSCN. (A) « La restriction progressive de destin » est un modèle qui prédit une succession hiérarchique du potentiel de différenciation des CCN de pluripotent (1) à multipotent (2), bipotent (3) et enfin unipotent (4). Les précurseurs sont toujours capables d’auto-renouvellement.

Cependant, c’est la présence des facteurs environnementaux qui assure la différenciation des CCN. (B) « La préspécification » est un modèle selon lequel les précurseurs de CCN présentent un destin déjà scellé avant la délamination, ce qui expliquerait les différents types cellulaires obtenus selon les vagues de migration des CCN. C, cellule chromaffine ; F, myofibroblaste ; jpc, jour post conception ; G, glie ; M, mélanocyte ; N, neurone [14].

- Les neurones autonomes

Les neurones autonomes sont composés des neurones sympathiques, engendrés au niveau du tronc, mais également des neurones parasympathiques et entériques, issus généralement de la région vagale ou cervicale.

29 Ici encore, les BMP semblent jouer un rôle prépondérant en favorisant, l’acquisition du caractère autonome au détriment du caractère sensoriel [62].

L’expression de BMP4 et BMP7 par l’aorte dorsale guide la migration des CCN et favorise leur diférenciation en neurones sympathiques tant in vitro qu’in vivo [63, 64]. De plus, l’activation des gènes codants pour les facteurs de transcription achaete-scute complex homolog 1 (Mash1) et paired-like homeobox (Phox2a et Phox2b) induit généralement un destin neuronal, tant vers les lignées sympathique que parasympathique ou entérique. Cette activation requiert le plus souvent la présence de BMP [65, 66]. La survie et la différenciation des neurones des ganglions sympathiques dépendent également de neurotrophines (NT) et de facteurs tel que l’insulin-like growth factor (IGF) [67].

Dans le cas de la gangliogénèse entérique, des facteurs supplémentaires sont nécessaires pour assurer la colonisation correcte et la différenciation complète des CCN : par exemple, l’expression du glial cell-derived neurotrophic factor (GDNF) par le mésenchyme intestinal et celle de son récepteur tyrosine kinase Ret par les CCN [68]. Ou encore, l’ET-3 (également produite par le mésenchyme intestinal) qui, par l’activation de son récepteur Endothelin receptor type B (Etrb), inhibe l’adoption du destin neuronal par les CCN. Dans ce cas, c’est le mésenchyme intestinal qui contrôle le destin des CCN [69].

- Les neurones sensoriels

L’origine de la ségrégation des neurones sensoriels et des neurones autonomes reste assez controversée. En effet, il a aussi bien été démontré l’existence d’un progéniteur commun pour des neurones des ganglions rachidiens et sympathiques que l’existence de deux progéniteurs distincts à l’origine des deux types de neurones [56, 70]. Notons cependant qu’il semble que les neurones sensoriels se différencient plus rapidement notamment suite à l’expression des facteurs de transcription de type basic Helix-Loop-Helix (bHLH) comme les

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neurogénines (Ngn) 1 et 2 [71, 72]. Les Ngn répriment l’acquisition des caractères autonomes, tout comme Mash1 réprime celle des caractères sensoriels. Par ailleurs, Wnt1 et l’activation de la β-caténine orientent la différenciation des CCN vers la formation de neurones sensoriels aux dépens de la formation d’autres types cellulaires, tant in vivo qu’in vitro [73, 74]. La survie et la différenciation des neurones périphériques requièrent également la présence de NT sécrétées par le TN et le dermomyotome. Au niveau des ganglions de la racine dorsale (GRD), le Nerve Growth Factor (NGF) permet la spécification des nocicepteurs par l’activation du récepteur de haute affinité, le Tropomyosin receptor kinase A (TrkA). Le rôle du Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF), bien que certain, est moins bien compris. Via les récepteurs TrkB, il pourrait cependant favoriser la spécification de certains mécanorécepteurs.

Enfin, la NT-3, par l’activation des récepteurs TrkC, est nécessaire à la génération de neurones impliqués dans la proprioception [67].

- Les cellules gliales

La restriction des CCN vers une lignée gliale au cours du développement semble survenir plus tardivement que pour les neurones. Il a été démontré le rôle de la voie Notch/Delta dans la ségrégation de ces deux types cellulaires. L’extinction de l’expression de Notch1 est requise pour la différenciation des CCN en neurones. L’expression concomitante du ligand Delta par ces dernières assure alors l’activation de Notch1 dans les cellules voisines, favorisant leur différenciation gliale [75, 76].

Cependant, la différenciation des CCN en cellules gliales (et plus particulièrement en cellules de Schwann) nécessite un contact étroit avec les axones, les neurégulines (Nrg) produites par ces derniers activant les récepteurs ErbB exprimés par les CCN [77]. L’expression du récepteur ErbB3, par exemple, est sous le contrôle du facteur de transcription Sox10, reconnu pour son implication dans l’adoption d’un destin glial par les CCN [78, 79]. In vitro,

31 il a, par ailleurs, été montré que Nrg1 soluble stimule la formation de cellules gliales satellites alors que le Nrg1-transmembranaire, via le récepteur ErbB3, induit une différenciation en cellules de Schwann [80, 81].

- Les mélanocytes

Les précurseurs mélanocytaires émergent très rapidement après la délamination des CCN pour suivre une voie de migration dorso-ventrale et ce, sous l’action de la voie Wnt (Fig. I-12). Les facteurs Wnt induisent non seulement la spécification de la lignée mélanocytaire, mais assurent également leur expansion, notamment via l’activation du facteur de transcription Mitf [82-85].

Au niveau de la peau, les facteurs de croissance tels que l’ET-3 et le Stem Cell Factor (SCF) permettent respectivement l’activation des récepteurs tyrosine kinase Etrb2 et proto-oncogene tyrosine-protein kinase (Kit). Ils assurent ainsi la survie, la migration et la différenciation des mélanoblastes [86-88]. D’autres facteurs de transcription semblent impliqués dans le contrôle de la formation des mélanocytes, tels que Sox10 et Pax3 via l’activation de Mitf [89, 90], alors que FoxD3, par son inhibition, restreint la différenciation des CCN aux voies neurales [91].

Figure I-12. Section schématique transversale du TN montrant la migration caractéristique des mélanoblastes par rapport aux ganglions sensoriels et sympathiques. L’expression du SCF par le dermomyotome et le derme attire les précurseurs mélanocytaires KIT-positifs. AD, aorte dorsale ; DM, dermomyotome ; N, notochorde, TN, tube neural [14]

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- Les dérivés mésenchymateux

Contrairement aux CCN thoraco-abdominales, les CCN céphaliques ont la capacité de générer des dérivés mésenchymateux tels que du tissu osseux, cartilagineux, adipeux, conjonctif et musclaire lisse au niveau de la face et de la nuque. Hormis le rôle des FGF dans l’adoption par les CCN d’un destin mésenchymateux et le rôle de Shh dans le développement cartilagineux, les facteurs réellement impliqués dans la ségrégation des CCN céphaliques restent méconnus [49, 92].

Il est surprenant de constater que si la multipotence des CCN se restreint bel et bien au cours de la migration, elles n’en gardent pas moins une certaine plasticité. En effet, il a été récemment démontré la persistance de cellules souches dérivées de la CN dans des tissus embryonnaires de stades tardifs du développement, mais également de stades postnatal et adulte (cf. Part. I.2.2.).